固定床反应器选型与计算.ppt

* 一级反应： 二级反应： 其他类型(N级)动力学方程： 有外扩散影响的宏观动力学方程为： * * 特殊情况： 外扩散控制---反应速率常数 k 比传质系数 kg 大得多，则颗粒外表面处 A 的浓度为零。 内扩散或动力学控制---反应速率常数 k 比传质系数 kg 小得多，则颗粒外表面处 A 的浓度与气相主体浓度相等，外扩散可不予考虑。 * 例2 实验室中进行苯加氢反应，在1013.3 kPa下操作，气体质量速度G=3000 kg·m-2h-1，催化剂为Φ 8×9mm圆柱体，颗粒密度ρP=0.9g·cm-3，床层堆积密度ρB=0.6g·cm-3，在反应器某处气体温度为220℃，气体组成为10％苯，80％氢，5％环己烷和5％甲烷(体积分率)，测得该处宏观反应速率 (-RA)=0.015mol·h-1g-1(cat) 。 试估算该处催化剂的外表面浓度。 注：气体粘度 μ = 1.4×10-4 g·cm-1s-1， 扩散系数 D = 0.267cm2s-1。 解： ① 计算催化剂的粒径 dS * * ② 计算床层中气体的雷诺数 *` ③ 计算 JD 和 kg 值 * * ④ 计算 CAG 和 CAS * * 3.流体与颗粒外表面间的浓度差和温度差 单位时间内传递的热量必然等于单位时间内反应放出的热量。 单位时间内反应放出的热量为： 传递的热量=反应热量 上式整理: 前面的传质过程中，已知： 由(A)和(B)式可得： * (A) (B) 整理上式，得： 上式关联了颗粒浓度与温度之间的变化关系。 可通过气相主体浓度和温度及颗粒表面浓度求颗粒表面温度。 * (C) * 进一步简化(C)式，前面有： JH 和 JD 相除，得： 由J(H) 和 J(D)的定义： 实验得到： 代入上式： 代入(C)式得： * * 例3试计算例5-6中催化剂的外表面处温度。已知反应热为(-ΔH)=2.135×105J·mol-1，气体的定压比热容cP=49J·mol-1K-1。 解： * * * * * * * * * * 2.3 床层压降 气体流动通过催化剂床层的空隙所形成的通道，与孔道周壁摩擦而将产生压降。 压降计算通常利用厄根（Ergun）方程： * * 厄根（Ergun）方程中其它参数： 可用来计算床层压力分布。 如压降不大，床层各处物性变化不大，可视为常数，压降将呈线性分布。 当Re m10时，厄根（Ergun）方程则变为： 当Re m1000时，厄根(Ergun)方程则变为： 催化剂床层压降还有许多计算式，具体参考有关的资料。 * 影响床层压力降的最大因素： 床层的空隙率 流体的流速 两者稍有增大，会使压力降产生较大变化。 降低床层压降的方法： 增大床层空隙率，如采用较大粒径的颗粒； 降低流体的流速，但要考虑这会使相间的传质和传热变差，需综合考虑。 * * 例1内径为50mm的管内装有4m高的催化剂层，催化剂为球体，催化剂的粒径分布如表所示。 空隙率ε B = 0.44。在反应条件下气体的密度 ρ g = 2.46 kg?m-3，粘度 μg = 2.3×10-5 kg?m-1s-1，气体的质量流速 G = 6.2kg ? m-2s-1。求床层的压降。 粒径 dS /mm 3.40 4.60 6.90 质量分率 0.60 0.25 0.15 * 解： ① 求颗粒的平均直径 ② 计算修正雷诺数 * ③ 计算床层压降 2.4 固定床中的传热 固定床中的传热组成 颗粒内传热 颗粒与流体间的传热，传热系数 hP 床层与器壁的传热，传热系数 hw、h0 * 拟均相模型 将包括颗粒与气相流体的床层看作为均一的固体物质，其传热特性用一个有效热导率 λ e 来表征。 有效热导率 λ e 根据轴向和径向的传热，可分为轴向和径向的有效热导率 （λ ez 和 λ er）。 * * 1.流体与颗粒外表面间的传热 与传质相仿，由于层流边界层的存在，造成了气流主体与催化剂颗粒外表面存在温度差。因而，必然存在热量传递。 单位时间内从颗粒外表面传递到气相主体的热量为： ---单位时间传递的热量，J/h； h P ---流体对颗粒的传热系数，J/m2·h·K； T g --气相主体的温度，K； TS ---为催化剂颗粒外表面处温度，K； SS ---催化剂外表面积，m2； φ ---颗粒表面利用系数，球体 φ = 1， 圆柱体 φ = 0.91， 其他形状 φ =0.90 * * 传热系数的计算(通过传热因子法计算)：